工矿自动化

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马宏伟, 姚阳, 赵昊, 梁林, 马琨, 田海波

2019, 45(9): 1-6.. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.17443

<摘要>(92) <HTML> (15) <PDF>(19)

摘要:
基于矿山钻孔救援探测需求，针对现有探测机器人信息探测范围窄、探测距离较短、功能单一、无越障能力等问题，设计了一种矿山钻孔救援探测机器人。该机器人能够通过225 mm救援钻孔到达煤矿井下，利用携带的传感器和摄像头获取灾变区域的环境信息和被困人员信息，并将信息实时传到地面；以NI myRIO作为控制核心，采用LabVIEW图形化编程构建控制系统，利用有线通信方式实现机器人在灾变区域内的数据远程控制。试验结果表明:该机器人运动性能良好，具有体积小、质量轻、越障能力强等特点,可顺利通过救援孔，能够对井下环境信息进行实时检测和传输，为地面救援指挥中心决策提供了第一手资料。

煤矿救援机器人研究现状及发展趋势

郑学召, 赵炬, 张铎, 郭军

2019, 45(9): 7-12. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.17426

<摘要>(305) <HTML> (19) <PDF>(56)

摘要:
介绍了煤矿救援机器人动力系统、防爆设计、多参数监测及通信系统等的国内外研究现状及应用情况，指出煤矿救灾机器人存在续航能力有限、行走控制距离短、防爆材料质量大、信息处理与传输可靠性差等问题。展望了煤矿救灾机器人的发展趋势：研发适用于煤矿领域的新能源电池是煤矿救援机器人动力电源的发展趋势之一；研发具有自主行走、定位与路径规划的智能化机器人是未来煤矿救援机器人发展的趋势；防爆材料轻量化、多源信息智能融合、无线加有线的通信方式也将是煤矿救援机器人智能多元化发展的方向。

煤矿救灾机器人防爆技术研究

郑学召, 闫兴, 郭军, 张铎

2019, 45(9): 13-17. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2018120017

<摘要>(82) <HTML> (8) <PDF>(16)

摘要:
介绍了煤矿救灾机器人防爆技术的概况，阐述了煤矿救灾机器人防爆技术的国内外研究现状及应用情况，指出煤矿救灾机器人防爆技术已取得一定进展，尤其在防爆电动机、防爆外壳及动力电源等方面，但防爆材料应用技术、能源动力技术、本安控制技术、故障诊断与容错控制技术等仍存在问题，需要在加工材料轻便化、动力电源高效化、防爆技术本安化、控制系统智能化等方面不断完善，从而确保煤矿救灾机器人各个构件的防爆技术更加成熟。

煤矿巡检机器人同步定位与地图构建方法研究

杨林, 马宏伟, 王岩, 王川伟, 张珍珍

2019, 45(9): 18-24. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.17444

<摘要>(142) <HTML> (16) <PDF>(17)

摘要:
针对煤矿井下无GPS环境下巡检机器人自主定位问题，研究了基于激光雷达的同步定位与地图构建方法。首先建立激光雷达观测模型和里程计预测模型，将机器人定位和地图构建的实际问题转换为概率数学模型的逻辑推理问题。同时采用自适应蒙特卡罗定位算法进行机器人实时位姿估计，提出了根据粒子权重（地图的匹配度）进行重采样的方法,以去除权重小的粒子，实现了用较少、较好粒子精确表达机器人位姿的后验概率分布，满足机器人利用传感器在栅格地图上实时定位的需求。通过对Fast-SLAM算法进行优化，减少了粒子数量，缓解了粒子耗散,提高了地图构建的精确性。实验结果表明，基于激光雷达的同步定位与地图构建方法有效解决了巡检机器人实时位姿估计和环境地图构建的问题，结合自适应蒙特卡罗定位算法和优化Fast-SLAM算法提高了机器人定位的自适应性和地图构建的精确性。

基于迭代最近点的井下无人机实时位姿估计

王岩, 马宏伟, 王星, 杨林

2019, 45(9): 25-29. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.17441

<摘要>(80) <HTML> (13) <PDF>(12)

摘要:
针对煤矿井下无GPS信号、低照度、结构化环境等特点，提出了一种基于迭代最近点（ICP）的井下无人机实时位姿估计方法。通过建立四旋翼无人机运动模型与机载激光雷达观测模型，将煤矿井下四旋翼无人机位姿估计问题转换为机载激光点云数据的扫描匹配问题。用三维激光雷达作为四旋翼无人机机载环境测量传感器，得到无人机当前位姿下的观测点云数据；以第1帧位置为初始位，通过ICP方法得到连续2帧点云数据之间的相对变换矩阵，迭代求解连续关键帧点云数据，得到煤矿井下四旋翼无人机实时位姿估计结果。采用滤波与下采样方法对点云数据进行优化，加速变换矩阵的求解，满足四旋翼无人机位姿估计实时性需求。实验结果表明，基于ICP的井下无人机实时位姿估计方法能够快速、有效地求解四旋翼无人机位姿，相比于正态分布变换方法，ICP方法更适用于煤矿井下四旋翼无人机的实时位姿估计。

煤田火灾无人机监测关键技术研究

贾勇骁, 郑学召, 崔嘉明, 郭军, 费金彪

2019, 45(9): 30-33. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.17473

<摘要>(60) <HTML> (8) <PDF>(11)

摘要:
针对现有煤田火灾无人机监测技术存在的续航时间短、数据采集周期较长、红外热图像精确度不高、数据传输和处理速度慢等问题，研究了基于单一/集群飞行的无人机监测技术、红外及可见光双视监测技术及基于4G网络的数据传输与处理技术。设计了无人机多站多机集群飞行方式，通过航线规划和独立控制实现对大面积煤田区域的快速监测；采用红外双视热成像仪进行数据采集，无人机在等间距航点处悬停时触发红外双视热成像仪拍照采集红外热图像和可见光图像；以4G网络作为信号传输渠道，依靠数据采集前端和数据处理软件的协同作用，实现数据采集、传输和处理的同步。现场应用结果表明，2台无人机采集254张红外热图像和254张可见光图像，完成数据采集和图像前期处理耗时150 min，图像合成耗时10 h，与现有技术相比，极大缩短了监测时间；采集的红外热图像所显示的温度与实地温度测试结果重合度在90%以上，表明利用无人机进行煤田火灾监测是有效、可行的。

矿山救援机器人群设计

文虎, 刘洋, 郑学召, 郭军

2019, 45(9): 34-39. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.17476

<摘要>(80) <HTML> (10) <PDF>(18)

摘要:
针对目前矿山机器人适应性差、通信能力弱、机动性差等问题，设计了矿山救援机器人群。该机器人群主要包括通信机器人、搜救机器人、辅助救援机器人和数据处理中心。通信机器人利用超宽带雷达进行生命探测，找出被困人员的具体位置，同时通过内置中继设备保证救援过程中的信息传输；搜救机器人按照实时路径规划行驶并传回音频、视频、井下环境信息，在找到被困人员之后充当通信设备，构建救援人员与被困人员的通信渠道；辅助救援机器人包括负责打通救援路径的清障机器人和为被困人员输送救援物品的物资运送机器人;数据处理中心根据被困人员位置信息，通过GIS规划搜救机器人的搜救路线，并根据井下实时信息进行路径修正。机器人群中各类机器人相互协作、功能互补、信息统一化处理，可有效减少因灾后环境不明而带来的二次伤害，提高救援效率。

悬臂式掘进机器人巷道成形智能截割控制系统研究

杨文娟, 张旭辉, 张超, 赵建勋, 马宏伟

2019, 45(9): 40-46. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.17445

<摘要>(69) <HTML> (8) <PDF>(15)

摘要:
针对目前煤矿井下掘进过程自动化程度低、掘进效率低、巷道成型质量差等问题，提出了一种悬臂式掘进机器人巷道成形智能截割控制系统。该系统结合巷道尺寸和截割工艺要求，基于三次多项式光滑函数的悬臂式掘进机器人关节空间轨迹规划方法，通过建立的悬臂式掘进机器人坐标系统及悬臂式掘进机器人运动学正问题与逆问题求解，确定轨迹规划光滑函数参数；规划好截割轨迹后，以视觉定位方法获得的悬臂式掘进机器人截割头位姿数据作为反馈量，基于反馈线性化积分滑模控制器的截割轨迹控制算法实时计算控制量，以规划轨迹点和视觉测量位姿点构建反馈控制系统，实现对悬臂式掘进机器人巷道成形截割过程的动态控制。实验结果表明，该系统能够实现悬臂式掘进机器人巷道成形截割过程的智能控制，定位精度高，稳定性好，轨迹跟踪误差小于25.61 mm，可满足巷道成形质量需求。

基于机器视觉的多机械臂煤矸石分拣机器人系统研究

王鹏, 曹现刚, 夏晶, 吴旭东, 马宏伟

2019, 45(9): 47-53. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.17442

<摘要>(99) <HTML> (14) <PDF>(30)

摘要:
现有煤矸石分拣方法主要是根据煤和岩石的纹理特征值，利用图像处理和模式识别技术对煤矸石进行识别分选，分选的煤矸石粒度为25～150 mm,而对于150 mm以上的煤矸石仍依靠人工进行分选。为了对大粒度煤矸石进行分拣，设计了一种基于机器视觉的多机械臂煤矸石分拣机器人系统。该系统采用机器视觉采集煤矸石信息，应用深度学习方法实现煤矸石识别和抓取特征提取；在获取煤矸石序列信息后，根据煤矸石位置进行排序工作，并通过多目标任务分配策略将抓取任务下达给相应机械臂控制器；机械臂获取任务后，根据获得的任务对目标进行动态监测，当目标进入机械臂工作空间后由视觉伺服系统驱动机械臂完成煤矸石分拣。试验结果表明，该系统可对粒度为50～260 mm的煤矸石进行高效、快速分拣，所采用的煤矸石识别方法和分拣策略在不同带速下具有良好的稳定性和准确性，煤矸识别与定位的综合准确率可达93%，验证了该系统的可行性。

双摇臂履带式矿山机器人结构优化设计

胡坤, 张志远, 李德永, 王爽

2019, 45(9): 54-60. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2019010069

<摘要>(123) <HTML> (22) <PDF>(17)

摘要:
针对双摇臂履带式矿山机器人结构设计中的多目标优化问题，提出了基于GA-PSO算法的双摇臂履带式矿山机器人结构优化设计方案。通过机器人越障过程的几何学和运动学分析，得出机器人越障最大高度和质心位置变换的影响因素；根据矿山机器人工作要求建立约束条件，得到多目标优化函数，通过引入权重系数，将多目标优化问题转换为单目标优化问题；利用GA-PSO算法对单目标优化问题进行求解，得到机器人最优结构参数：车体质量为10 kg，摇臂质量为5 kg，前后轮距离为600 mm，驱动轮半径为115 mm。仿真结果表明，采用该结构参数设计的机器人完成目标动作所需的能耗低于其他设计方案，更加易于实现目标动作。

智慧矿山基本内涵、核心问题与关键技术

罗香玉, 李嘉楠, 郎丁

2019, 45(9): 61-64. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2019020046

<摘要>(191) <HTML> (15) <PDF>(27)

摘要:
归纳了智慧矿山基本内涵，即具备对矿山的主动感知能力、自动分析能力及快速处理能力，数字矿山是智慧矿山的基础和依托，无人矿山是智慧矿山的高级阶段和终极目标；指出了智慧矿山待解决的三大核心问题，即矿山状态深度感知、矿山数据深度挖掘及矿山安全生产与管理决策支持；分析了智慧矿山所依托的三大关键技术，即煤矿物联网技术、煤矿大数据技术及煤矿智能决策支持技术。

智慧矿山建设的演进及发展趋势

李小四, 马建民, 王莹莹

2019, 45(9): 65-69.. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2019040032

<摘要>(83) <HTML> (5) <PDF>(12)

摘要:
结合各煤矿从综合自动化到智慧矿山的建设经验和教训，对智慧矿山建设进行了综述，强调智慧矿山建设是一个循序渐进的演进过程。从网络平台、数据平台、多专业协同工作平台，以及智慧矿山与新技术、新服务的衔接等方面论述了智慧矿山建设的演进过程及发展趋势，指出：主干网+接入网的异构网架构及扁平化、智能化、资源抽象化是智慧矿山网络平台的重要发展趋势；统一数据平台是智慧矿山发展的基本趋势，而大数据和云计算是统一数据平台应用的发展趋势；多专业协同工作平台带来的一个显著趋势是服务模式的变化，即矿山购买服务。通过上述论点说明了智慧矿山实际上是矿山物联网+承载的服务。随着智慧服务不断加入网络，矿山会越来越智慧，越来越安全，越来越高效。

基于小波分析的冲击地压微震前兆信号研究

王欣欣, 于师建

2019, 45(9): 70-74. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2018110067

<摘要>(91) <HTML> (13) <PDF>(11)

摘要:
采集某煤矿1300工作面冲击地压发生前后的微震信号，进行时序特征分析，并采用db5作为小波基函数对微震信号进行5层分解，得到各层子频带的频谱特征和能量百分比。分析结果表明：冲击地压发生前，微震次数和能量呈现先增加后减少再增加的趋势；冲击地压发生前1 h出现了前兆信号，能量主要分布在62.5~250 Hz的中高频段，能量百分比达到55%；冲击地压发生时，波形起伏明显，振幅明显增大，低频信号占主要成分，能量主要集中在0~62.5 Hz的低频段，且占总能量的70%左右。得出冲击地压前兆：振幅增加，微震主频明显降低，频带由高频向低频发展，且前震发生的时间越靠近主震，低频信号越多，低频信号所占的能量百分比也越大。因此，可将微震主频急剧降低、振幅明显升高、低频信号能量百分比增加作为冲击地压前兆的主要特征，结合每日微震次数和能量变化趋势进行冲击地压预测。

煤矿事故本体自动构建

桂冬冬, 王向前, 李慧宗

2019, 45(9): 75-79. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2019030021

<摘要>(94) <HTML> (9) <PDF>(9)

摘要:
针对通过人工方式构建煤矿事故本体存在耗时耗力、具有局限性等问题，提出了一种煤矿事故本体自动构建方法。首先，以煤矿事故案例文本作为数据源，采用BP神经网络自动提取本体概念。然后，通过层次聚类法和关联规则法分别自动提取本体概念间层次关系、非层次关系。最后，利用Protégé本体编辑器对煤矿事故本体概念、概念间关系和实例进行可视化表达，得到煤矿事故本体。自动构建的煤矿事故本体更加全面，可为煤矿安全生产工作提供有力支持。

不同煤质煤尘云最低着火温度变化规律研究

刘天奇

2019, 45(9): 80-85. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2018120078

<摘要>(63) <HTML> (4) <PDF>(7)

摘要:
为研究不同煤质煤尘云最低着火温度变化规律，选取褐煤、长焰煤、不黏煤、气煤、焦煤、瘦煤、贫煤和无烟煤8种煤质煤样，采用煤尘云最低着火温度测试装置，研究了煤尘云最低着火温度随变质程度、粒径及混入惰性岩粉量的变化规律。研究结果表明：① 煤样变质程度越低，受限高温空间内煤尘云越容易着火，煤尘云爆炸潜在危险性越大；煤尘云着火过程是可燃气相环境主导的。② 随着粒径在75 μm到25 μm范围内减小，8种煤质煤尘云最低着火温度均不断减小，褐煤尘云最低着火温度最大降幅最大，达18.6%，说明褐煤尘云最低着火温度受粒径影响最大；空干基挥发分越大且煤尘半径越小，煤尘云越容易着火；在“敏感粒径区间”内褐煤尘云最低着火温度降幅最大，达8.47%。③ 向煤尘中混入不同比例的惰性CaCO3岩粉对8种煤质煤尘云着火现象均有明显抑制作用。

三电动机驱动圆管带式输送机启动控制方法

单辉亚, 肖冬明

2019, 45(9): 86-91. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2018120069

<摘要>(42) <HTML> (6) <PDF>(7)

摘要:
针对圆管带式输送机头部双电动机驱动、尾部单电动机驱动的工况，考虑输送带黏弹性力学特征，以 Kelvin-Voigt模型为基础，在AMESim软件中建立了圆管带式输送机输送带-驱动滚筒部分离散模型；在三相异步电动机直接转矩控制基础上，研究了三电动机驱动系统功率平衡控制原理，提出了一种主电动机速度给定、2台从电动机转矩给定的圆管带式输送机启动控制方法；通过Matlab/Simulink仿真及圆管带式输送机综合试验台测试研究了基于该方法的圆管带式输送机启动过程，结果表明该方法可实现圆管带式输送机平稳启动，启动过程中头部主电动机与头尾部从电动机输出转矩基本相等，启动4 s后负载差值几乎为0。

矿用电动车混合储能系统Z源逆变器电流控制

吴震, 陈靖, 党娇

2019, 45(9): 92-98.. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2019040091

<摘要>(98) <HTML> (4) <PDF>(7)

摘要:
针对应用于矿用电动车混合储能系统的传统Z源逆变器或单开关电感Z源逆变器存在电压增益、功率密度和转换效率均不高的问题，提出了一种新型Z源逆变器。该逆变器采用基于阵列式磁集成技术的模块化开关耦合电感单元替代传统Z源逆变器的电感，提高功率密度和电压增益，并通过引入辅助软开关支路实现功率器件零电压开关，提高转换效率。对基于新型Z源逆变器的混合储能系统进行了建模，通过分析极点，发现引起系统振荡的1对共轭极点及系统振荡处频率，结合模型进行了电流控制器参数设计，推导出电流控制器比例和积分参数的设计准则。仿真与实验结果验证了该电流控制器设计准则的正确性。

煤矿多系统“一张图”融合联动平台设计

王勇

2019, 45(9): 99-102. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.17452

<摘要>(112) <HTML> (9) <PDF>(14)

摘要:
针对现有煤矿安全监测监控系统图形界面标准不一致、呈现效果差别大、无法实现系统联动效应等问题，根据《煤矿安全监控系统升级改造技术方案》要求，提出了一种煤矿多系统“一张图”融合联动平台设计方案，介绍了该平台架构、融合联动通信接口设计及“一张图”模式的GIS平台设计。该平台采用WebGIS数据发布和WebService、OPC数据交互技术，将煤矿不同安全监测监控系统数据集中在统一的GIS平台上展示，并通过关联各系统设备之间的逻辑关系，实现多系统融合联动。该平台可进一步提高煤矿安全生产监测监控水平和监管效率。

煤矿瓦斯抽放浓度控制系统设计

赵勇, 赵国勇, 孟凡瑞, 赵玉刚, 侯启金

2019, 45(9): 103-108. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2019050057

<摘要>(83) <HTML> (9) <PDF>(15)

摘要:
针对现有煤矿瓦斯抽放控制采用粗放式控制方法存在瓦斯抽放浓度控制缺失和水环真空泵能耗高等问题，设计了一套煤矿瓦斯抽放浓度控制系统。该系统基于分级调节思想，在控制程序集中控制下，通过瓦斯浓度传感器检测抽采管路中的瓦斯浓度，利用PLC逻辑运算功能计算出瓦斯浓度变化率，并根据瓦斯浓度变化分级调节电动瓦斯调节阀开度和水环真空泵变频电动机转速，以提高抽采瓦斯浓度，从而提高抽采瓦斯利用率。试验结果表明，该控制系统能有效提高抽采瓦斯浓度，瓦斯体积分数可提高3.6%~4.2%，使抽采瓦斯利用率大大提高；且节能效果明显，瓦斯抽放浓度控制后节能效果提高了24%。

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2019年第45卷第9期

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